RFID复习（三）：天线

天线的定义和分类方法

定义

• 凡是利用电磁波传递信息和能量的，都依靠天线进行工作。
• 天线是用来发射或接收无线电波的装置。
• 天线是将传输线中的电磁能量有效地转换成电磁波或将空间电磁波有效地转换成传输线中的电磁能量的设备。
• 天线是无线通信系统的第一个器件和最后一个器件。

分类

分类依据	结果
波段	长波、中波、短波、微波
结构	线状、面状、缝隙、微带
用途	广播、通信、雷达、导航、RFID

天线的电参数

效率

天线的效率定于天线的辐射功率$P_{\Sigma}$与输入功率$P_{in}$的比值，即：

$$\eta_A=\frac{P_{\Sigma}}{P_{in}}=\frac{P_{\Sigma}}{P_{\Sigma}+P_L}$$

其中，$P_L$是天线的总损耗能量，包括天线导体的损耗和天线介质的损耗。

输入阻抗

天线的输入阻抗定义为天线输入端电压与电流的比值，即：

$$Z_{in}=\frac{U_{in}}{I_{in}}=R_{in}+jX_{in}$$

$R_{in}$是输入电阻，$jX_{in}$是输入电抗。
输入端指天线与馈线的连接处。

方向性函数（重点）

天线的方向性函数是指以天线为中心，天线辐射场与空间方向的关系。
天线的方向性函数是天线辐射场的相对值。
重点：谁和谁的关系？两个例子？

方向图

根据方向性函数绘制的图形称为方向图。
半波偶极子天线（在E面有方向性，在H面没有方向性）

• E面方向图: 电场矢量所在平面的方向图
  
• H面方向图: 磁场矢量所在平面的方向图
  
• 立体方向图: 完全反映出天线的方向特性
  
• 主瓣宽度: 天线辐射最强方向所在的波瓣称为主瓣。
  在主瓣最大值两侧，场强下降为最大值$1/\sqrt{2}$的两点矢径的夹角，称为半功率波瓣宽度。
  在主瓣最大值两侧，场强下降为0的两点矢径的夹角，称为零功率波瓣宽度。
  

方向性系数（记）

在离开天线某一距离处，天线在最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，称为天线的方向性系数。
电基本振子的方向性系数为1.5。

增益

增益定义为当天线与理想无方向性天线的输入功率相同时，两种天线在最大辐射方向上辐射功率密度之比。增益同时考虑了天线的方向性系数和效率。

有效长度

很多天线上的电流分布是不均匀的。天线有效长度的定义是，在保持实际天线最大辐射方向上场强不变的前提下，假设天线上的电流为均匀分布，电流的大小等于输入端的电流，此假想天线的长度。

极化

天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。

频带宽度

天线的所有电参数都与频率有关。将天线的电参数保持在规定技术指标要求之内的频率范围，称为天线的工作频带宽度，简称为天线的带宽。

对称振子天线

对称振子天线的方向图是以天线轴为中心轴的回旋体。
对称振子天线的H面方向图为圆；E面方向图如下：

习题：对电基本振子天线计算

1. 归一化方向性函数
   电场为

   $$E_{\theta}=j\frac{Il}{2\lambda r}\eta_0 sin\theta e^{-jkr}$$

   方向性函数为$f(\theta,\varphi)=sin\theta$

2. 半功率波瓣宽度
   ？

3. 方向性系数
   电基本振子的方向性系数为1.5。

尺寸与磁场

概述

线圈天线的最佳尺寸，是指线圈上的电流为常数，且与天线的距离为常数时，线圈的尺寸与产生磁场的关系。
虽然增大线圈半径会在线圈的较远处获得最大磁场，但随着距离继续增大会使磁场值减小，影响电子标签线圈与读写器线圈之间的耦合强度，导致降低对电子标签能量的供给。

习题：以圆环形线圈为例，线圈天线的最佳尺寸是什么？当线圈天线的半径为常数时，与线圈相距多少可以获得最大的磁场？

制作工艺

概述

RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法。
低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；高频RFID电子标签天线利用以上三种方式均可实现，但以蚀刻天线为主，其材料一般为铝或铜；UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主。

RFID无线传输

工作波长

电磁波速度

1. 概念
   • 空气中：$\nu =c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_{0} \mu_{0}}}=3\times10^8 m/s$
     $\varepsilon_0$是介电常数，$\mu_0$是磁导率
   • 无耗介质中：$v=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_{0} \mu_{0}}} \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_{r} \mu_{r}}}=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon_{r} \mu_{r}}}$
     $\varepsilon_r$是相对介电常数，$\mu_r$是相对磁导率
   • 有耗介质中：$\nu=\frac{\omega}{\beta}$
   • 衰减速率$\nu_p=\frac{\omega}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}}$
     $\omega$是角频率，$\beta$与介质的电导率有关。
2. 例题
   

波长

1. 概念
   速度还可以表示为

   $$$$

   $$$$

   
2. 例题
   （1）计算空气中125kHz的RFID的工作波长。
   （2）计算塑料粒中125kHz的RFID工作波长（已知塑料粒的相对介电常数为2）。

传输方式

低频、高频

读写器和电子标签之间射频信号的传输采用电感耦合识别方式。
特点：电子标签与读写器很近，这样电子标签可以获得较大的能量。基本上两者都是线圈天线，相当于变压器的耦合。

短圆柱线圈的磁场

最佳尺寸

线圈天线的最佳尺寸，是指线圈上的电流为常数，且与天线的距离为常数时，线圈的尺寸与产生磁场的关系。

$$R=\sqrt{2}z$$

$\sqrt{2}/{2}$的半径
虽然增大线圈半径会在线圈的较远处获得最大磁场，但随着距离继续增大会使磁场值减小，影响电子标签线圈与读写器线圈之间的耦合强度，导致降低对电子标签能量的供给。

微波

主要工作在几百MHZ到几GHZ之间。
是电磁反向散射的识别系统，采用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标的信息返回。
特点：工作波长较短，电子标签处于读写器天线的远区，获得的是读写器的辐射信号和辐射能量。阅读距离一般大于1 m，典型情况为4 m～7 m，最大可达10 m以上。

总结

电感耦合方式的基础是电感电容谐振回路和电感线圈产生的交变磁场。
反向散射耦合方式的理论基础是电磁波传播和反射的形成。
这两种耦合方式的差异在于使用的频率不同和作用距离的远近。

传输损耗（记）

空气中的传输损耗

天线辐射的电磁波在传播过程中，随着传播距离的增大能量的自然扩散而引起的损耗，它反映了球面波的扩散损耗。空气中的传输损耗为

可以看出，电波传播的距离越长，或电波的工作频率越高，自由空间的传输损耗越大。

直射、反射、绕射和散射

有障碍物。

视距传播与菲涅耳区

视距传播是指发射天线和接收天线在相互能看得见的距离内，电波直接从发射点传到接收点的一种传播方式。
收发天线之间电波传播所经历的空间，存在着对电波传播起主要作用的空间区域，这个空间区域称为传播主区，传播主区可以用菲涅尔区的概念来表示。
最小菲涅耳区（记）：保证在一定的菲涅耳区域内满足“自由空间的条件”。半径为

$$F_0=0.577\sqrt{\frac{\lambda d_1d_2}{d}}$$

电磁波的损耗

媒质的电导率大于零，会损耗能量。
电导率越大、RFID的工作频率越高，电波衰减就越大。

多径传输效应

当电波经过两个或两个以上不同长度的路径传播到达接收点时，接收天线得到的信号是几个不同路径的信号之和。

衰减与衰落

衰减是指发射天线的信号到达接收天线时信号的振幅减小。产生因素：自由空间损耗、障碍物等。
衰落是指接收点的信号随时间随机的起伏。包括吸收型衰落（媒质电参数变化引起）和干涉型衰落（多径引起）。RFID的衰落主要是干涉型。

习题